WO1999006672A1 - Turbine blade and a method for the production thereof - Google Patents

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WO1999006672A1
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Winfried Esser
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade, which extends along a main axis from a root area over an airfoil area to a head area.
  • the invention further relates to a method for producing a turbine blade, in particular a gas turbine blade.
  • DE-AS 22 42 111 describes a device and a method for producing castings, in particular gas turbine blades, with a directionally solidified structure.
  • the method and the device are used to produce castings which are free of voids.
  • the directional solidification with a single-crystalline or stenge-shaped structure is achieved by controlling the start of grain growth.
  • a shell mold to be filled with molten metal is placed on a quenching plate and heated to a temperature which is in particular 150 ° C. above the temperature of the melting point of the metal to be cast.
  • the molten metal is poured into the shell mold and the quenching plate with the shell mold is immersed in a cooling liquid bath.
  • the temperature of the cooling liquid is significantly below the melting point of the metal.
  • the quenching plate is cooled by the coolant before the metal is poured into the shell mold.
  • a superalloy such as Mar-M 200, is used as the metal for the manufacture of a turbine blade.
  • the shell shape is immersed in the cooling liquid bath at such a speed that the surface of the cooling liquid bath does not lead the solitus level, so that the heat is removed vertically downward from the mushy zone of the solidifying alloy and the liquid-solid interface is essentially horizontal remains. This is to ensure the growth of a single crystal and to prevent nucleation of grains on the surface of the bowl shape.
  • the shell shape is heated to over 1500 ° C.
  • Liquid tin which has a temperature of approximately 260 ° C., is used as the cooling liquid.
  • the speed at which the shell mold is immersed in the liquid bath is approximately 3 m / h.
  • the turbine blade is cast as a solid material blade, predominantly from nickel alloys in single-crystal form, with a total length of approximately 10 cm.
  • EP-0 010 538 A1 specifies a speed-controlled method for directional solidification and a casting produced by this method.
  • the ratio of temperature gradient G and rate of solidification R is of particular importance for the directional solidification of a casting.
  • the ratio of G to R must exceed a certain characteristic value in order for directional solidification to take place.
  • the directional solidification is mainly used to produce a casting for a gas turbine, which is a stalk-shaped grain structure, a single crystal or a one-dimensionally directed eutectic.
  • the directional solidification method is used for superalloys such as U-700, B-1900, Mar-M 200 and IN-100.
  • Test trials for the production of a gas turbine blade for the first stage of an aircraft engine in single-crystal form were carried out with high immersion speed with radiation cooling and alternatively with cooling using a liquid metal.
  • the speed with radiation cooling was between 7.5 cm / h and 33 cm / h.
  • the directionally solidified casting was cast as a full body.
  • a casting made using the thermally controlled solidification process has a consistent and uniform grain size in all casting areas.
  • a ratio of temperature gradient G and solidification speed R is used, which leads to a microstructure with relatively small, aligned grains and minimal shrinkage.
  • the process is carried out in a vacuum furnace in which a casting mold is heated by means of induction heating in a heating zone and is moved out of this heating zone in order to solidify the molten metal, so that the molten metal is cooled and solidified by radiation cooling.
  • a guide vane of a gas turbine with a guide of cooling gas for cooling it is described in US Pat. No. 5,419,039.
  • the guide vane is designed as a casting or composed of two castings. Inside, it has a supply of cooling gas from the compressor of the supplied arranged gas turbine plant. In its wall structure which is exposed to the hot gas flow of the gas turbine and surrounds the feed, cast-in cooling pockets which are open on one side are provided. These are arranged on the outside of the wall structure both in the flow direction of the hot gas and perpendicular to it along the main direction of expansion of the guide vane. Cooling air flows into each cooler bag from the feed via a plurality of holes in the wall structure.
  • the cooling air flows through the cooling pocket in the direction of flow of the hot gas and exits into the flow of the hot gas in an opening area already formed by the casting of the guide vane.
  • film cooling is achieved to a limited extent on the outer surface of the wall structure.
  • One or more bases can be provided in the cooler pocket to improve the heat conduction.
  • a gas turbine blade with a central cooling air supply and cooling air bores for achieving film cooling is described, for example, in EP 0 742 347 A2.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade with a coolable wall structure. Another object is to provide a method for manufacturing a turbine blade.
  • the object directed to a turbine blade is achieved by such a turbine blade, which extends along a main axis from a foot region via a blade area to a head area, and at least in the blade area has a feed for cooling fluid, which feed from an outer wall of the blade Small wall thickness is surrounded, wherein the blade outer wall has a metallic material with an undirected grain structure with an average grain size in the order of the grain size of a conventionally cast material.
  • a turbine blade in particular a gas turbine blade for a stationary gas turbine, can be produced, for example, by the process of thermally controlled solidification.
  • the blade outer wall thus has neither a rigid, rigid, directionally solidified structure nor a single-crystal structure. Rather, the structure has an "equiaxed" grain structure, in which the grains have a largely unstructured orientation, ie the structure is quasi-isotropic.
  • the turbine blade has solidified without holes or pores, whereby thin, flat walls are cast with sufficient thermal and mechanical stability.
  • the turbine blade can be made of a cobalt-based alloy, for example Mar-M 509 or FSX 414, with a high thermal conductivity if the required strength requirements are met by the cobalt-based alloy.
  • the turbine blade can also be made of a nickel-based alloy, for example Rene 80, IN 738LC or IN 939.
  • the alloy, in particular the cobalt-based alloy can also be cast in an oven and then cooled in a controlled manner outside the oven. The alloy is preferably cast as an investment casting.
  • a turbine blade around which a hot gas can flow it preferably has heat transfer elements in its interior which are thermally connected to the blade outer wall and around which the cooling fluid, in particular cooling air supplied by the compressor of a gas turbine system, can flow.
  • the wall of the turbine Scoops in the airfoil area can be double-walled with an inner wall that surrounds the feed line, so that at least one cooling area is formed between the inner wall and the outer wall, which is connected in terms of flow technology via an inlet to the feed line.
  • the heat transfer elements which are thermally connected to the outer wall, are preferably arranged one behind the other in a main flow direction of the cooling fluid, as a result of which effective cooling of the cooling fluid in the cooling region is possible over a long distance and cooling of the outer wall is thus ensured.
  • a double-walled structure enables the functional properties of the wall structure to be decoupled, with less requirements being placed on the mechanical stability on the outer wall than on the inner wall.
  • the inner wall can therefore, since it is not directly exposed to a hot gas flow, be made with a greater wall thickness than the outer wall and can essentially take over the mechanical supporting function for the turbine blade.
  • the cross-section of the cooling area between the inner wall and the outer wall is preferably designed to be small to form a high speed of the cooling fluid and is in particular in the region of the wall thickness of the outer wall. Due to a small cross-section of the cooling area and a high speed of the cooling fluid, very high heat transfer rates are achieved.
  • the cooling fluid can be passed through the turbine blade in an open cooling circuit, the blade outer wall having an outlet for cooling fluid. It is also possible to cool the turbine blade with a closed cooling fluid circuit, with cooling fluid being provided in the interior of the turbine blade and being connected to the supply in terms of flow technology via the cooling area.
  • cooling fluid in particular cooling air, flows out of the cooling area onto the outer wall and forms a cooling film on the surface of the outer wall which can be exposed to the hot gas (film cooling).
  • the heat transfer elements in a cooling area are preferably arranged in a row along a line, the line preferably being inclined at an angle of 90 ° with respect to the main flow direction.
  • the main direction of flow of the cooling air in the cooling area is preferably parallel or anti-parallel to the direction of flow of the hot gas and therefore essentially perpendicular to the main axis of the turbine blade.
  • the heat transfer elements are preferably column-like or platform-like and extend from the outer wall to the inner wall. They can also be firmly connected to the inner wall.
  • the cross section of the heat transfer elements is in each case adapted to the heat transfer and flow requirements, for example circular, polygonal or in the manner of a flow profile.
  • the heat transfer elements of adjacent rows are preferably offset from one another, in particular by half the distance between two heat transfer elements arranged along the line. It is hereby achieved that the partial flows of the cooling fluid flowing between two adjacent heat transfer elements flow substantially completely into contact with a heat transfer element downstream in the main flow direction for the exchange of heat.
  • the outlet and the inlet are preferably designed as one or more holes. These can widen in a funnel shape, the outlet preferably being inclined at an angle of ⁇ 35 ° with respect to the main flow direction of the cooling fluid. Such an acute angle favors the formation of a cooling film on the surface of the outer wall. It is also possible to retrofit a funnel-shaped opening, for example by eroding Ren or work out by means of laser beams.
  • the inlet is preferably directed along an axis which is inclined with respect to the outer wall, in particular is perpendicular to the outer wall. As a result, impact cooling of the outer wall in the area of the inlet can also be achieved.
  • a cooling area with counterflow cooling is preferably arranged on the suction side of the turbine blade in the vicinity of the outflow area in such a way that the associated outlet for cooling fluid is upstream of the area with the lowest pressure level of hot gas flowing along the suction side with respect to the flow of hot gas.
  • This is particularly advantageous aerodynamically, the flow of the hot gas in the outflow region being largely unaffected by the emerging cooling fluid.
  • the turbine blade with base area, airfoil area and head area as well as inner wall and outer wall and heat transfer elements arranged therein can be produced as a whole by casting in one work step using the process of thermally controlled solidification.
  • the turbine blade can also contain two or more cast parts, which are firmly connected to one another after casting by suitable methods (joining processes).
  • the inlet and the outlet have already been made by casting.
  • the turbine blade preferably has a plurality of cooling areas both along its main axis and in a plane perpendicular to the main axis.
  • the turbine blade is preferably suitable as a moving blade or guide blade of a gas turbine system, in particular a stationary gas turbine, in which temperatures of well over 1000 ° C. of the hot gas flowing around the turbine blade occur.
  • the turbine blade has an airfoil area which has a height of between 5 cm and 50 cm.
  • the wall thickness of the blade outer wall and / or the inner wall preferably has a minimum value between 0.5 mm and 5 mm. With very thin wall thicknesses In principle, only a few grains are present over the cross section.
  • the grain size can be between about 0.5 and 5 mm in the area of the blade wall and between 4 mm and 10 mm in the remaining area of the blade (for example blade flow).
  • a method for producing a turbine blade which extends along a main axis from a foot area via a blade area to a head area and, at least in the blade area, has a supply of cooling fluid which is surrounded by a blade outer wall of small wall thickness that a casting mold is held in a heating zone above the melting temperature of the material of the turbine blade, filled with molten material and moved out of the heating zone in such a way that the material, at least in the outer wall of the blade, has an undirected grain structure with an average grain size that corresponds to a grain size of a conventionally cast Material essentially corresponds, solidifies.
  • a turbine blade with sufficient thermal and mechanical strength properties can be produced, which has an essentially identical grain structure in both a solid and thin-walled area.
  • the process parameters of the process such as temperature in the heating zone, speed at which the mold is removed from the
  • Heating zone is led out, etc., are adapted to the size and the desired strength properties of the turbine blade.
  • the method can be a further development, adapted to the special requirements for casting a turbine blade with a thin wall structure, possibly a double wall structure, of the trials on large investment castings by Patrick D. in the article "Thermal Analysis from Thermally Controlled Solidification (TCS)".
  • TCS Thermally Controlled Solidification
  • Ferro et al described method for thermally controlled solidification of a casting.
  • the turbine blade and the method for producing the turbine blade are explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. They show schematically, showing the constructive and functional features used for the explanation:
  • FIG. 1 shows a longitudinal view of a rotor blade of a gas turbine
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a device for thermally controlled solidification of a guide vane.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 1, in particular a rotor blade 1 a of a stationary gas turbine, which extends from a base area 3 via a blade area 4 to a head area 5 along a main axis 2.
  • the airfoil area 4 has a blade outer wall 7, an impingement area 11 and an outflow area 9.
  • a hot fluid 10, a hot gas flows through the gas turbine (not shown in more detail), which flows against the turbine blade 1 in the inflow region 11 and flows past the outer wall 7 to the outflow region 9.
  • the turbine blade 1 has a feed 6 for cooling fluid 16 (see FIG. 2), which flows through the foot region 3 into the Blade area 4 leads into it.
  • the cooling fluid 16 is in particular compressed compressor air which is supplied to the turbine blade 1 by a compressor (not shown) of the gas turbine system.
  • outlets 20 are provided on the inflow region 11, the outflow region 9, the pressure side 24 and the suction side 23 of the turbine blade 1, through which cooling air 6 flows into the flow of the hot gas 10.
  • the outlets 20 in the area of the pressure side 24 and the suction side 23 are inclined at an angle, in particular less than 45 °, with respect to the outer wall 7, so that the cooling air 16 flows against the outer wall 7 and thereby also achieves film cooling of the outer surface of the outer wall 7 becomes.
  • An inner wall 18 is assigned to the outer wall 7, a plurality of cooling areas 19 having an essentially planar extent being arranged between the outer wall 7 and the inner wall 18.
  • Each cooling area 19 is connected in terms of flow technology via an inlet 12 to a supply 6 for cooling fluid 16 and via an outlet to the hot gas 10 flowing around the turbine blade 1.
  • Each cooling area 19 has a plurality of heat transfer elements 17 arranged one behind the other, which are connected thermally at least to the outer wall 7.
  • the cooling fluid 16 flowing through the cooling area 19 absorbs heat from the outer wall 7 via the heat transfer elements 17 and via direct contact with the outer wall 7 and thereby leads to effective cooling of the outer wall 7.
  • the inlet 12 is preferably perpendicular to the outer wall 7 directed so that cooling fluid 16 flowing into the cooling area 19 impinges on the outer wall 7 and, as a result, impact cooling is additionally achieved.
  • FIG. 3 shows a section of a longitudinal section through a cooling area 19 with a plurality of circular pedestal or columnar heat transfer elements 17, 17a, 17b.
  • the heat transfer elements 17, 17a, 17b are each in a row 28 perpendicular to the direction of flow of the cooling fluid 16 arranged.
  • the heat transfer elements 17, 17a, 17b of rows 28 which are arranged directly one behind the other are offset from one another, so that cooling fluid, which flows between heat transfer elements 17 which are adjacent in a row, impacts a heat transfer element 17 of the subsequent row 28. This ensures a particularly high contact time of the cooling fluid with the heat transfer elements 17, 17a, 17b.
  • Adjacent rows 28 are spaced apart by a distance d 2 ; Within a row 28, the heat transfer elements 17, 17a, 17b are each spaced apart by a distance d 3 ; the heat transfer elements 17 which are circular in cross section have a diameter di.
  • the distance d 2 between two adjacent rows 28 is approximately the same or slightly less than the distance d 3 between adjacent heat transfer elements 17.
  • FIG. 4 shows a turbine blade 1 in a cross section analogous to FIG. 2.
  • the turbine blade 1 has an at least partially closed cooling circuit for the cooling fluid 16.
  • a discharge 21 for cooling fluid 16 is also provided in the turbine blade 1.
  • the cooling areas 19 therefore have an outlet 20 which does not lead to the hot gas 10 but to the discharge 21.
  • FIG. 5 a longitudinal section schematically shows a section of a device for a thermally controlled solidification of a metallic melt, in particular one
  • a downwardly closed mold 14 for a turbine blade 1 is arranged on a quenching plate 25.
  • This mold 14 is located in a heating zone 15, which is surrounded by an induction heater 26.
  • the casting mold 14 is moved out of the heating zone 15 in a vertical direction through the quenching plate 25 at a controlled speed. mobile.
  • the casting mold 14 is preheated before being introduced into the heating zone 15 and has a temperature in the heating zone 15 which is preferably above the melting temperature of the alloy.
  • the heating zone 15 is preferably arranged in a vacuum furnace, not shown.
  • the molten alloy is poured into the mold 14 and then moved out of the heating zone at a predetermined speed or the induction heater 26 is moved away from the mold 14 in the vertical direction at a predetermined speed.
  • a temperature difference of more than 110 ° C. is preferably generated in the vertical direction via the casting mold 14.
  • the invention is characterized by a turbine blade, which can be cooled in its interior by a cooling fluid, in particular consists of a nickel or cobalt-based superalloy, which has a structure with an average grain structure, and the grain structure essentially the grain structure of a conventionally cast alloy corresponds to that is free of voids and pores.
  • the turbine blade can be produced by a correspondingly modified process for thermally controlled solidification, whereby single-crystal defects in the structure are avoided compared to a single-crystal production process.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a turbine blade (1) which extends along a principal axis (2) of a foot area (3) up to a head area (5) via a blade area (4). A feed (6) for cooling liquid (16) is provided in the blade area (4), said feed being surrounded by a thin outerwall (7) of the blade. The outer wall (7) of the blade consists of a metal material with a nondirectional granular structure of an average grain size with the dimensions of the grain size of a conventionally cast material. The invention also provides for a method for producing a turbine blade.

Description

Beschreibungdescription
Turbinenschaufel sowie Verfahren zur Herstellung einer TurbinenschaufelTurbine blade and method for producing a turbine blade
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, welche sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel.The invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade, which extends along a main axis from a root area over an airfoil area to a head area. The invention further relates to a method for producing a turbine blade, in particular a gas turbine blade.
In der DE-AS 22 42 111 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken, insbesondere Gasturbinen- schaufeln, mit gerichtet erstarrtem Gefüge beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Herstellung möglichst lunkerfreier Gußstücke. Die gerichtete Erstarrung mit einem einkristallinen oder stengeiförmigen Gefüge durch eine Kontrolle über den Beginn des Kornwachstums erreicht. Bei Durchführung des Verfahrens wird eine mit geschmolzenem Metall zu füllende Schalenform auf einer Abschreckplatte abgesetzt und auf eine Temperatur aufgeheizt, die insbesondere 150 °C oberhalb der Temperatur des Schmelzpunktes des zu gießenden Metalls liegt. Das geschmolzene Metall wird in die Schalenform eingefüllt und die Abschreckplatte mit der Schalenform in ein Kühlflüssigkeitsbad eingetaucht. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit liegt wesentlich unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls. Die Abschreckplatte ist bereits vor dem Eingießen des Metalls in die Schalenform durch das Kühlmittel gekühlt. Für die Herstellung einer Turbinenschaufel wird als Metall eine Superlegierung, wie beispielsweise Mar-M 200, verwendet. Das Eintauchen der Schalenform in das Kühlflüssigkeitsbad erfolgt mit einer derartigen Geschwindigkeit, daß die Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades dem Soli- tuspegel nicht voreilt, so daß die Wärmeabfuhr aus der breiigen Zone der erstarrenden Legierung vertikal abwärts erfolgt und die flüssig-feste Grenzfläche im wesentlichen horizontal bleibt. Dies soll das Wachstums eines Einkristalls sicherstellen und eine Keimbildung von Kornern an der Oberfläche der Schalenform verhindern. Bei der Herstellung einer Turbinenschaufel als Einkristall wird die Schalenform auf über 1500 °C erhitzt. Als Kühlflussigkeit wird flussiges Zinn verwendet, welches eine Temperatur von etwa 260 °C aufweist. Die Geschwindigkeit, mit der die Schalenform in das Flussigkeits- bad eingetaucht wird, betragt etwa 3 m/h. Die Turbinenschaufel wird hierbei als Vollmaterialschaufel überwiegend aus Nickellegierungen in einkristalliner Form, mit einer Gesamtlange von etwa 10 cm gegossen.DE-AS 22 42 111 describes a device and a method for producing castings, in particular gas turbine blades, with a directionally solidified structure. The method and the device are used to produce castings which are free of voids. The directional solidification with a single-crystalline or stenge-shaped structure is achieved by controlling the start of grain growth. When the method is carried out, a shell mold to be filled with molten metal is placed on a quenching plate and heated to a temperature which is in particular 150 ° C. above the temperature of the melting point of the metal to be cast. The molten metal is poured into the shell mold and the quenching plate with the shell mold is immersed in a cooling liquid bath. The temperature of the cooling liquid is significantly below the melting point of the metal. The quenching plate is cooled by the coolant before the metal is poured into the shell mold. A superalloy, such as Mar-M 200, is used as the metal for the manufacture of a turbine blade. The shell shape is immersed in the cooling liquid bath at such a speed that the surface of the cooling liquid bath does not lead the solitus level, so that the heat is removed vertically downward from the mushy zone of the solidifying alloy and the liquid-solid interface is essentially horizontal remains. This is to ensure the growth of a single crystal and to prevent nucleation of grains on the surface of the bowl shape. When producing a turbine blade as a single crystal, the shell shape is heated to over 1500 ° C. Liquid tin, which has a temperature of approximately 260 ° C., is used as the cooling liquid. The speed at which the shell mold is immersed in the liquid bath is approximately 3 m / h. The turbine blade is cast as a solid material blade, predominantly from nickel alloys in single-crystal form, with a total length of approximately 10 cm.
In der EP-0 010 538 AI sind ein geschwmdigkeitskontrollier- tes Verfahren zur gerichteten Erstarrung sowie ein nach die- sem Verfahren hergestelltes Gußstuck angegeben. Für die gerichtete Erstarrung eines Gußstuckes ist von besonderer Bedeutung das Verhältnis aus Temperaturgradient G und Erstarrungsgeschwindigkeit R. Für eutektische Superlegierungen muß das Verhältnis von G zu R einen bestimmten charakteristischen Wert überschreiten, damit eine gerichtete Erstarrung stattfindet. Die gerichtete Erstarrung wird hierbei hauptsachlich verwendet, um ein Gußstuck für eine Gasturbine herzustellen, welches eine stengelformige Kornstruktur, ein Einkristall oder ein eindimensional gerichtetes Eutektikum ist. Anwendung findet die Methode der gerichteten Erstarrung bei Superlegierungen wie U-700, B-1900, Mar-M 200 und IN-100. Testversuche zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel für die erste Stufe eines Flugzeugtriebwerkes in einkristallmer Form wurden mit hoher Eintauchgeschwindigkeit bei Strahlungskuhlung und al- ternativ bei Kühlung mittels eines flussigen Metalls durchgeführt. Die Geschwindigkeit lag bei Strahlungskuhlung zwischen 7,5 cm/h und 33 cm/h. Das gerichtet erstarrte Gußstuck wurde als Vollkorper gegossen.EP-0 010 538 A1 specifies a speed-controlled method for directional solidification and a casting produced by this method. The ratio of temperature gradient G and rate of solidification R is of particular importance for the directional solidification of a casting. For eutectic superalloys, the ratio of G to R must exceed a certain characteristic value in order for directional solidification to take place. The directional solidification is mainly used to produce a casting for a gas turbine, which is a stalk-shaped grain structure, a single crystal or a one-dimensionally directed eutectic. The directional solidification method is used for superalloys such as U-700, B-1900, Mar-M 200 and IN-100. Test trials for the production of a gas turbine blade for the first stage of an aircraft engine in single-crystal form were carried out with high immersion speed with radiation cooling and alternatively with cooling using a liquid metal. The speed with radiation cooling was between 7.5 cm / h and 33 cm / h. The directionally solidified casting was cast as a full body.
In dem Artikel "A formal analysis from formally controlled solidification (TCS) trials investment castings" von Patrick D. Ferro, Sanjay B. Shendye m "Superalloys" , 1996, Seiten 531 bis 535, The Minerals, Metals and Materials Society 1996, ist ein Verfahren zur thermisch kontrollierten Erstarrung großer Gußstücke mit Bereichen einer dünnen Wandstruktur beschrieben. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gußstück unterscheidet sich gegenüber einem gerichtet erstarrten Gußstück oder einem einkristallinen Gußstück insbesondere durch die Korngröße. Gerichtet erstarrte und einkristalline Gußstücke zeichnen sich durch große und mittlere Korngrößen aus, ein nach dem thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahren hergestelltes Gußstück weist demgegenüber eine mittlere Korngröße wie ein konventionell hergestelltes Gußstück auf. Darüber hinaus hat ein nach dem thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahren hergestelltes Gußstück eine konsistente und gleichmäßige Korngröße in allen Gußbereichen. Bei dem ther- misch kontrollierten Erstarrungsverfahren wird ein Verhältnis aus Temperaturgradient G und Erstarrungsgeschwindigkeit R verwendet, das zu einer MikroStruktur mit relativ kleinen, gleichgerichteten Körnern und minimalem Schwund führt. Das Verfahren wird in einem Vakuumofen durchgeführt, bei dem eine Gießform über eine Induktionsheizung in einer Heizzone erwärmt wird und zur Erstarrung des geschmolzenen Metalls aus dieser Heizzone herausgefahren wird, so daß eine Abkühlung und Erstarrung des geschmolzenen Metalls durch Strahlungskuhlung erfolgt. Herstellung einer Gießform sowie Aufbau eines entsprechenden Ofens sind beispielsweise in der US-PSIn the article "A formal analysis from formally controlled solidification (TCS) trials investment castings" by Patrick D. Ferro, Sanjay B. Shendye m "Superalloys", 1996, pages 531 to 535, The Minerals, Metals and Materials Society 1996, describes a method for thermally controlled solidification of large castings with areas of a thin wall structure. A casting produced by this method differs from a directionally solidified casting or a single-crystalline casting, in particular in terms of the grain size. Directionally solidified and monocrystalline castings are distinguished by large and medium grain sizes, whereas a casting produced by the thermally controlled solidification process has an average grain size like a conventionally produced casting. In addition, a casting made using the thermally controlled solidification process has a consistent and uniform grain size in all casting areas. In the thermally controlled solidification process, a ratio of temperature gradient G and solidification speed R is used, which leads to a microstructure with relatively small, aligned grains and minimal shrinkage. The process is carried out in a vacuum furnace in which a casting mold is heated by means of induction heating in a heating zone and is moved out of this heating zone in order to solidify the molten metal, so that the molten metal is cooled and solidified by radiation cooling. The production of a casting mold and the construction of a corresponding furnace are described, for example, in US Pat
4,724,891 beschrieben. Hierin wird die Herstellung eines Gehäuseteils einer Turbinenanlage beschrieben, welches bereichsweise eine dünne Wandstruktur mit einer Fläche von über 30 cm2 und einer Wandstärke kleiner als 0,125 cm aufweist. Das Verhältnis aus der Fläche des Bereiches mit geringer Wandstärke und der Wandstärke liegt bei mindestens 40.4,724,891. This describes the production of a housing part of a turbine plant which in some areas has a thin wall structure with an area of more than 30 cm 2 and a wall thickness of less than 0.125 cm. The ratio of the area of the area with small wall thickness and the wall thickness is at least 40.
Eine Leitschaufel einer Gasturbine mit einer Führung von Kühlgas zu deren Kühlung ist in der US-PS 5,419,039 beschrie- ben. Die Leitschaufel ist als ein Gußstück ausgeführt bzw. aus zwei Gußstücken zusammengesetzt. Sie weist in ihrem Inneren eine Zuführung von Kühlgas aus dem Verdichter der zuge- ordneten Gasturbinenanlage auf. In ihrer der Heißgasströmung der Gasturbine ausgesetzten, die Zuführung umschließenden Wandstruktur sind eingegossene einseitig offene Kühltaschen vorgesehen. Diese sind an der Außenseite der Wandstruktur so- wohl in Strömungsrichtung des Heißgases als auch senkrecht dazu entlang der Hauptausdehnungsrichtung der Leitschaufel angeordnet. In jede Kühltasche strömt von der Zuführung über eine Mehrzahl von Löchern in der Wandstruktur Kühlluft ein. Die Kühltasche wird in Strömungsrichtung des Heißgases von der Kühlluft durchströmt, welche in einem bereits durch das Gießen der Leitschaufel gebildeten Öffnungsbereich in die Strömung des Heißgases austritt. Hierdurch wird in beschränktem Maße an der äußeren Oberfläche der Wandstruktur eine Filmkühlung erreicht. In der Kühltasche können ein oder meh- rere nicht näher spezifizierte Sockel zur Verbesserung der Wärmeleitung vorgesehen sein. Eine Gasturbinenschaufel mit einer zentralen Kühlluftzuführung und Kühlluftbohrungen zur Erzielung einer Filmkühlung ist beispielsweise in der EP 0 742 347 A2 beschrieben.A guide vane of a gas turbine with a guide of cooling gas for cooling it is described in US Pat. No. 5,419,039. The guide vane is designed as a casting or composed of two castings. Inside, it has a supply of cooling gas from the compressor of the supplied arranged gas turbine plant. In its wall structure which is exposed to the hot gas flow of the gas turbine and surrounds the feed, cast-in cooling pockets which are open on one side are provided. These are arranged on the outside of the wall structure both in the flow direction of the hot gas and perpendicular to it along the main direction of expansion of the guide vane. Cooling air flows into each cooler bag from the feed via a plurality of holes in the wall structure. The cooling air flows through the cooling pocket in the direction of flow of the hot gas and exits into the flow of the hot gas in an opening area already formed by the casting of the guide vane. As a result, film cooling is achieved to a limited extent on the outer surface of the wall structure. One or more bases, not specified in more detail, can be provided in the cooler pocket to improve the heat conduction. A gas turbine blade with a central cooling air supply and cooling air bores for achieving film cooling is described, for example, in EP 0 742 347 A2.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel mit einer kühlbaren Wandstruktur anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel anzugeben.The object of the invention is to provide a turbine blade with a coolable wall structure. Another object is to provide a method for manufacturing a turbine blade.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe durch eine solche Turbinenschaufel gelöst, die sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt, und zu- mindest in dem Schaufelblattbereich eine Zuführung für Kühl- fluid aufweist, welche Zuführung von einer Schaufelaußenwand geringer Wandstärke umgeben ist, wobei die Schaufelaußenwand einen metallischen Werkstoff mit einer ungerichteten Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße in der Größenordnung der Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoffs aufweist . Eine solche Turbinenschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine, läßt sich beispielsweise durch das Verfahren der thermisch kontrollierten Erstarrung herstellen. Hierdurch wird eine hohe Wärmeleitfähig- keit erreicht, bei gleichzeitiger Vermeidung von Gefügefehlern, wie sie bei dem Verfahren zum gerichteten einkristallen Erstarrung auftreten könnten. Die Schaufelaußenwand weist somit weder ein stengeiförmiges gerichtet erstarrtes Gefüge noch ein einkristallines Gefüge auf. Das Gefüge weist viel- mehr eine "equiaxed" Kornstruktur auf, bei der die Körner eine weitgehend unstrukturierte Orientierung aufweisen, d.h. das Gefüge quasi-isotrop ist. Die Turbinenschaufel ist lun- ker- und porenfrei erstarrt, wobei dünne ebene Wände mit hinreichender thermischer und mechanischer Stabilität gegossen sind. Es ist sowohl bei großen Wanddickenunterschieden zwischen dem Schaufelblattbereich mit gegebenenfalls daran als Wärmeübertragungselement angeordneten Stegen und dem massiven Fußbereich oder am Fußbereich bzw. gegebenenfalls am Kopfbe- reich angebrachten massiven Platten in allen Bereichen die gleiche Kristallstruktur und damit die gleichen physikalischen Eigenschaften erreicht. Die Turbinenschaufel kann aus einer Kobaltbasislegierung, z.B. Mar-M 509 oder FSX 414, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein, wenn die geforderten Festigkeitsanforderungen durch die Kobaltbasisle- gierung erfüllt werden. Die Turbinenschaufel kann auch aus einer Nickelbasislegierung, beispielsweise Rene 80, IN 738LC oder IN 939, hergestellt sein. Die Legierung, insbesondere die Kobaltbasislegierung, kann auch in einem Ofen gegossen werden und außerhalb des Ofens dann kontrolliert abgekühlt werden. Vorzugsweise wird die Legierung als Feinguß gegossen.According to the invention, the object directed to a turbine blade is achieved by such a turbine blade, which extends along a main axis from a foot region via a blade area to a head area, and at least in the blade area has a feed for cooling fluid, which feed from an outer wall of the blade Small wall thickness is surrounded, wherein the blade outer wall has a metallic material with an undirected grain structure with an average grain size in the order of the grain size of a conventionally cast material. Such a turbine blade, in particular a gas turbine blade for a stationary gas turbine, can be produced, for example, by the process of thermally controlled solidification. As a result, a high thermal conductivity is achieved, while at the same time avoiding structural defects, such as might occur in the directional single-crystal solidification process. The blade outer wall thus has neither a rigid, rigid, directionally solidified structure nor a single-crystal structure. Rather, the structure has an "equiaxed" grain structure, in which the grains have a largely unstructured orientation, ie the structure is quasi-isotropic. The turbine blade has solidified without holes or pores, whereby thin, flat walls are cast with sufficient thermal and mechanical stability. In the case of large wall thickness differences between the airfoil area, with webs possibly arranged thereon as a heat transfer element, and the solid foot area or solid plates attached to the foot area or optionally to the head area, the same crystal structure and thus the same physical properties are achieved in all areas. The turbine blade can be made of a cobalt-based alloy, for example Mar-M 509 or FSX 414, with a high thermal conductivity if the required strength requirements are met by the cobalt-based alloy. The turbine blade can also be made of a nickel-based alloy, for example Rene 80, IN 738LC or IN 939. The alloy, in particular the cobalt-based alloy, can also be cast in an oven and then cooled in a controlled manner outside the oven. The alloy is preferably cast as an investment casting.
Zur Erhöhung der Kühlwirkung einer von einem Heißgas umströmbaren Turbinenschaufel weist diese vorzugsweise in ihrem Inneren Wärmeübertragungselemente auf, die wärmetechnisch mit der Schaufelaußenwand verbunden und von dem Kühlfluid, insbesondere von von dem Verdichter einer Gasturbinenanlage zugeführter Kühlluft, umströmbar sind. Die Wand der Turbinen- schaufei im Schaufelblattbereich kann doppelwandig mit einer Innenwand, die die Zufuhrung umgibt, ausgeführt sein, so daß zwischen Innenwand und Außenwand zumindest ein Kuhlbereich gebildet ist, der über einen Einlaß mit der Zufuhrung stro- mungstechnisch verbunden ist.In order to increase the cooling effect of a turbine blade around which a hot gas can flow, it preferably has heat transfer elements in its interior which are thermally connected to the blade outer wall and around which the cooling fluid, in particular cooling air supplied by the compressor of a gas turbine system, can flow. The wall of the turbine Scoops in the airfoil area can be double-walled with an inner wall that surrounds the feed line, so that at least one cooling area is formed between the inner wall and the outer wall, which is connected in terms of flow technology via an inlet to the feed line.
Die warmetechnisch mit der Außenwand verbundenen Warmeuber- tragungselemente sind vorzugsweise in einer Hauptstromungs- richtung des Kühlfluides hintereinander angeordnet, wodurch eine wirksame Erwärmung des Kuhlfluids in dem Kuhlbereich über eine lange Wegstrecke ermöglicht und damit eine Kühlung der Außenwand gewährleistet ist. Ein doppelwandiger Aufbau ermöglicht eine Entkopplung der funktioneilen Eigenschaften der Wandstruktur, wobei an die Außenwand geringere Anforde- rungen an die mechanische Stabilität gestellt werden können als an die Innenwand. Die Innenwand kann mithin, da sie nicht unmittelbar einer Heißgasstromung ausgesetzt ist, mit einer größeren Wandstärke als die Außenwand ausgeführt sein und im wesentlichen die mechanische Tragfunktion für die Turbinen- schaufei übernehmen. Der Querschnitt des Kuhlbereiches zwischen der Innenwand und der Außenwand ist vorzugsweise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit des Kühlfluides gering ausgebildet und liegt insbesondere im Bereich der Wandstarke der Außenwand. Durch einen kleinen durchströmten Querschnitt des Kuhlbereiches und eine damit ausgebildete hohe Geschwindigkeit des Kühlfluides werden sehr hohe Warmeubergangszahlen erreicht .The heat transfer elements, which are thermally connected to the outer wall, are preferably arranged one behind the other in a main flow direction of the cooling fluid, as a result of which effective cooling of the cooling fluid in the cooling region is possible over a long distance and cooling of the outer wall is thus ensured. A double-walled structure enables the functional properties of the wall structure to be decoupled, with less requirements being placed on the mechanical stability on the outer wall than on the inner wall. The inner wall can therefore, since it is not directly exposed to a hot gas flow, be made with a greater wall thickness than the outer wall and can essentially take over the mechanical supporting function for the turbine blade. The cross-section of the cooling area between the inner wall and the outer wall is preferably designed to be small to form a high speed of the cooling fluid and is in particular in the region of the wall thickness of the outer wall. Due to a small cross-section of the cooling area and a high speed of the cooling fluid, very high heat transfer rates are achieved.
Das Kuhlfluid kann in einem offenen Kuhlkreis durch die Tur- binenschaufel hindurchgefuhrt werden, wobei die Schaufelaußenwand einen Auslaß für Kuhlfluid aufweist. Es ist ebenfalls eine Kühlung der Turbinenschaufel mit einem geschlossenen Kuhlfluidkreislauf möglich, wobei eine Abfuhrung für Kuhlfluid im Inneren der Turbinenschaufel vorgesehen ist, die über den Kuhlbereich stromungstechnisch mit der Zufuhrung verbunden ist. Bei einem offenen Kühlkreis strömt Kuhlfluid, insbesondere Kühlluft, aus dem Kühlbereich an die Außenwand aus und bildet einen kühlenden Film an der dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Außenwand (Filmkühlung) .The cooling fluid can be passed through the turbine blade in an open cooling circuit, the blade outer wall having an outlet for cooling fluid. It is also possible to cool the turbine blade with a closed cooling fluid circuit, with cooling fluid being provided in the interior of the turbine blade and being connected to the supply in terms of flow technology via the cooling area. In the case of an open cooling circuit, cooling fluid, in particular cooling air, flows out of the cooling area onto the outer wall and forms a cooling film on the surface of the outer wall which can be exposed to the hot gas (film cooling).
Die Wärmeübertragungselemente in einem Kühlbereich sind vorzugsweise entlang einer Linie in einer Reihe angeordnet, wobei die Linie gegenüber der Hauptströmungsrichtung vorzugsweise in einem Winkel von 90° geneigt ist. Die Hauptströ- mungsrichtung der Kühlluft in dem Kühlbereich ist vorzugsweise parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Heißgases und mithin im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse der Turbinenschaufel. Die Wärmeübertragungselemente sind vorzugsweise säulenartig oder podestartig ausgebildet und rei- chen von der Außenwand bis an die Innenwand heran. Sie können auch mit der Innenwand fest verbunden sein. Der Querschnitt der Wärmeübertragungselemente ist jeweils den wärmeübertra- gungs- und strömungstechnischen Anforderungen angepaßt, beispielsweise kreisförmig, vieleckig oder nach Art eines Strö- mungsprofils ausgebildet. Die Wärmeübertragungselemente benachbarter Reihen sind vorzugsweise gegeneinander versetzt, insbesondere um den halben Abstand zweier entlang der Linie angeordneter Wärmeübertragungselemente. Hierdurch wird erreicht, daß die zwischen zwei entlang der Linie benachbarter Wärmeübertragungselemente hindurchströmenden Teilströme des Kuhlfluids im wesentlichen vollständig mit einem in Hauptströmungsrichtung nachgeordneten Wärmeübertragungselement zum Austausch von Wärme in Kontakt kommen.The heat transfer elements in a cooling area are preferably arranged in a row along a line, the line preferably being inclined at an angle of 90 ° with respect to the main flow direction. The main direction of flow of the cooling air in the cooling area is preferably parallel or anti-parallel to the direction of flow of the hot gas and therefore essentially perpendicular to the main axis of the turbine blade. The heat transfer elements are preferably column-like or platform-like and extend from the outer wall to the inner wall. They can also be firmly connected to the inner wall. The cross section of the heat transfer elements is in each case adapted to the heat transfer and flow requirements, for example circular, polygonal or in the manner of a flow profile. The heat transfer elements of adjacent rows are preferably offset from one another, in particular by half the distance between two heat transfer elements arranged along the line. It is hereby achieved that the partial flows of the cooling fluid flowing between two adjacent heat transfer elements flow substantially completely into contact with a heat transfer element downstream in the main flow direction for the exchange of heat.
Der Auslaß sowie der Einlaß sind vorzugsweise als eine Bohrung oder mehrere Bohrungen ausgeführt. Diese können sich trichterförmig erweitern, wobei der Auslaß vorzugsweise um einen Winkel < 35° gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Kühlfluides geneigt ist. Durch einen solchen spitzen Winkel wird die Ausbildung eines Kühlfilms auf der Oberfläche der Außenwand begünstigt. Es ist ebenfalls möglich, eine trichterförmige Öffnung nachträglich, beispielsweise durch Erodie- ren oder Herausarbeiten mittels Laserstrahlen, durchzuführen. Der Einlaß ist vorzugsweise entlang einer Achse gerichtet, die gegenüber der Außenwand geneigt ist, insbesondere auf der Außenwand senkrecht steht. Hierdurch ist zusätzlich eine Prallkühlung der Außenwand im Bereich des Einlasses erreichbar. Bei einer antiparallelen Führung des Kuhlfluids ist eine Gegenstromkühlung erreichbar, wobei Kuhlfluid und Heißgas in entgegengesetzten Richtungen strömen. Ein Kühlbereich mit Gegenstromkühlung ist vorzugsweise an der Saugseite der Turbi- nenschaufel in der Umgebung des Abströmbereichs so angeordnet, daß der zugeordnete Auslaß für Kuhlfluid in Bezug auf die Strömung des Heißgases stromauf des Bereichs mit dem niedrigsten Druckniveau entlang der Saugseite strömenden Heißgases liegt. Dies ist insbesondere aerodynamisch von Vor- teil, wobei die Strömung des Heißgases in dem Abströmbereich weitgehend durch austretendes Kuhlfluid unbeeinflußt ist. Die Turbinenschaufel mit Fußbereich, Schaufelblattbereich und Kopfbereich sowie Innenwand und Außenwand und darin angeordneten Wärmeübertragungselementen kann über das Verfahren der thermisch kontrollierten Erstarrung als Ganzes durch Gießen in einem Arbeitsschritt hergestellt werden. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch zwei oder mehrere gegossene Teile enthalten, die mit geeigneten Methoden (Fügverfahren) nach dem Gießen miteinander fest verbunden werden. Vorzugsweise sind auch der Einlaß sowie der Auslaß bereits durch Gießen hergestellt worden. Die Turbinenschaufel weist vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlbereichen sowohl entlang ihrer Hauptachse als auch in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse auf. Die Turbinenschaufel eignet sich bevor- zugt als Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbinenanlage, insbesondere einer stationären Gasturbine, in der Temperaturen von deutlich über 1000 °C des die Turbinenschaufel umströmenden Heißgases auftreten. Die Turbinenschaufel hat einen Schaufelblattbereich, welcher eine Höhe zwischen 5 cm und 50 cm aufweist. Die Wandstärke der Schaufelaußenwand und/oder der Innenwand hat vorzugsweise einen minimalen Wert zwischen 0,5 mm und 5 mm. Bei sehr dünnen Wandstärken können über den Querschnitt prinzipiell auch nur einige wenige Körner vorhanden sein. Die Korngröße kann hierbei im Bereich der Schaufelwand zwischen etwa 0,5 und 5 mm liegen und im restlichen Bereich der Schaufel (z.B. Schaufelfluß) zwischen 4 mm bis 10 mm betragen.The outlet and the inlet are preferably designed as one or more holes. These can widen in a funnel shape, the outlet preferably being inclined at an angle of <35 ° with respect to the main flow direction of the cooling fluid. Such an acute angle favors the formation of a cooling film on the surface of the outer wall. It is also possible to retrofit a funnel-shaped opening, for example by eroding Ren or work out by means of laser beams. The inlet is preferably directed along an axis which is inclined with respect to the outer wall, in particular is perpendicular to the outer wall. As a result, impact cooling of the outer wall in the area of the inlet can also be achieved. When the cooling fluid is guided in an antiparallel manner, countercurrent cooling can be achieved, with cooling fluid and hot gas flowing in opposite directions. A cooling area with counterflow cooling is preferably arranged on the suction side of the turbine blade in the vicinity of the outflow area in such a way that the associated outlet for cooling fluid is upstream of the area with the lowest pressure level of hot gas flowing along the suction side with respect to the flow of hot gas. This is particularly advantageous aerodynamically, the flow of the hot gas in the outflow region being largely unaffected by the emerging cooling fluid. The turbine blade with base area, airfoil area and head area as well as inner wall and outer wall and heat transfer elements arranged therein can be produced as a whole by casting in one work step using the process of thermally controlled solidification. Of course, the turbine blade can also contain two or more cast parts, which are firmly connected to one another after casting by suitable methods (joining processes). Preferably, the inlet and the outlet have already been made by casting. The turbine blade preferably has a plurality of cooling areas both along its main axis and in a plane perpendicular to the main axis. The turbine blade is preferably suitable as a moving blade or guide blade of a gas turbine system, in particular a stationary gas turbine, in which temperatures of well over 1000 ° C. of the hot gas flowing around the turbine blade occur. The turbine blade has an airfoil area which has a height of between 5 cm and 50 cm. The wall thickness of the blade outer wall and / or the inner wall preferably has a minimum value between 0.5 mm and 5 mm. With very thin wall thicknesses In principle, only a few grains are present over the cross section. The grain size can be between about 0.5 and 5 mm in the area of the blade wall and between 4 mm and 10 mm in the remaining area of the blade (for example blade flow).
Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, welche sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich er- streckt und zumindest in dem Schaufelblattbereich eine Zuführung von Kuhlfluid aufweist, welche von einer Schaufelaußenwand geringer Wandstärke umgeben ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Gießform in einer Heizzone oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes der Turbinenschaufel gehalten, mit geschmolzenem Werkstoff gefüllt und so aus der Heizzone herausbewegt wird, daß der Werkstoff zumindest in der Schaufelaußenwand mit einer ungerichteten Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße, die einer Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoffs im wesentlichen entspricht, erstarrt. Hierdurch ist eine Turbinenschaufel mit hinreichenden thermischen und mechanischen Festigkeitseigenschaften herstellbar, die sowohl in einem massiven als auch dünnwandigen Bereich eine im wesentlichen gleiche Kornstruktur aufweist. Die Prozeßparameter des Verfahrens, wie Temperatur in der Heizzone, Geschwindigkeit, mit der die Gießform aus derThis is achieved according to the invention by a method for producing a turbine blade, which extends along a main axis from a foot area via a blade area to a head area and, at least in the blade area, has a supply of cooling fluid which is surrounded by a blade outer wall of small wall thickness that a casting mold is held in a heating zone above the melting temperature of the material of the turbine blade, filled with molten material and moved out of the heating zone in such a way that the material, at least in the outer wall of the blade, has an undirected grain structure with an average grain size that corresponds to a grain size of a conventionally cast Material essentially corresponds, solidifies. In this way, a turbine blade with sufficient thermal and mechanical strength properties can be produced, which has an essentially identical grain structure in both a solid and thin-walled area. The process parameters of the process, such as temperature in the heating zone, speed at which the mold is removed from the
Heizzone herausgeführt wird, etc., sind der Größe und den gewünschten Festigkeitseigenschaften der Turbinenschaufel angepaßt. Das Verfahren kann eine auf die besonderen Erfordernisse zum Gießen einer Turbinenschaufel mit dünner Wandstruk- tur, gegebenenfalls einer Doppelwandstruktur, angepaßte Weiterbildung des in dem Artikel "Thermal Analysis from Ther- mally Controlled Solidification (TCS) Trials on Large Investment Castings" von Patrick D. Ferro et al beschriebenen Verfahrens zur thermisch kontrollierten Erstarrung eines Guß- Stückes sein. Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbei- spiele werden die Turbinenschaufel sowie das Verfahren zur Herstellung der Turbinenschaufel naher erläutert. Es zeigen schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung ver- wendeten konstruktiven und funktioneilen Merkmale:Heating zone is led out, etc., are adapted to the size and the desired strength properties of the turbine blade. The method can be a further development, adapted to the special requirements for casting a turbine blade with a thin wall structure, possibly a double wall structure, of the trials on large investment castings by Patrick D. in the article "Thermal Analysis from Thermally Controlled Solidification (TCS)". Ferro et al described method for thermally controlled solidification of a casting. The turbine blade and the method for producing the turbine blade are explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. They show schematically, showing the constructive and functional features used for the explanation:
FIG 1 eine Langsansicht einer Laufschaufel einer Gasturbine,1 shows a longitudinal view of a rotor blade of a gas turbine,
FIG 2 eine Leitschaufel einer Gasturbine m einem Querschnitt,2 shows a guide vane of a gas turbine in a cross section,
FIG 3 einen Längsschnitt durch einen Kuhlbereich der3 shows a longitudinal section through a cooling area of the
Leitschaufel nach Figur 2m.it Warmeubertragungsele- menten,Guide vane according to Figure 2m. With heat transfer elements,
FIG 4 eine Leitschaufel einer Gasturbine in einem Querschnitt, und4 shows a guide vane of a gas turbine in a cross section, and
FIG 5 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur thermisch kontrollierten Erstarrung einer Leitschaufel.5 shows a longitudinal section through a device for thermally controlled solidification of a guide vane.
Gleiche Bezugszeichen haben m den Figuren 1 bis 5 jeweils die gleiche Bedeutung.The same reference numerals in FIGS. 1 to 5 each have the same meaning.
In Figur 1 ist eine sich entlang einer Hauptachse 2 von einem Fußbereich 3 über einen Schaufelblattbereich 4 zu einem Kopfbereich 5 erstreckende Turbinenschaufel 1, insbesondere eine Laufschaufei la einer stationären Gasturbine, dargestellt. Der Schaufelblattbereich 4 weist eine Schaufelaußenwand 7, einen Anstro bereich 11 sowie einen Abstrombereich 9 auf. Die nicht naher dargestellte Gasturbine wird von einem heißen Fluid 10, einem Heißgas, durchströmt, welches die Turbinenschaufel 1 in dem Anstrombereich 11 anströmt und an der Außenwand 7 bis zu dem Abstrombereich 9 vorbeistromt . Die Turbinenschaufel 1 weist eine Zufuhrung 6 für Kuhlfluid 16 (siehe Figur 2) auf, welche durch den Fußbereich 3 in den Schaufelblattbereich 4 hineinführt. Das Kuhlfluid 16 ist ins- besonder komprimierte Verdichterluft, die von einem nicht dargestellten Verdichter der Gasturbinenanlage der Turbinenschaufel 1 zugeführt wird.FIG. 1 shows a turbine blade 1, in particular a rotor blade 1 a of a stationary gas turbine, which extends from a base area 3 via a blade area 4 to a head area 5 along a main axis 2. The airfoil area 4 has a blade outer wall 7, an impingement area 11 and an outflow area 9. A hot fluid 10, a hot gas, flows through the gas turbine (not shown in more detail), which flows against the turbine blade 1 in the inflow region 11 and flows past the outer wall 7 to the outflow region 9. The turbine blade 1 has a feed 6 for cooling fluid 16 (see FIG. 2), which flows through the foot region 3 into the Blade area 4 leads into it. The cooling fluid 16 is in particular compressed compressor air which is supplied to the turbine blade 1 by a compressor (not shown) of the gas turbine system.
Gemäß Figur 2 sind sowohl an dem Anströmbereich 11, dem Abströmbereich 9, der Druckseite 24 sowie der Saugseite 23 der Turbinenschaufel 1 Auslässe 20 vorgesehen, durch die Kühlluft 6 in die Strömung des Heißgases 10 strömt. Die Auslässe 20 im Bereich der Druckseite 24 und der Saugseite 23 sind gegenüber der Außenwand 7 um einen Winkel, insbesondere kleiner 45°, geneigt, so daß die Kühlluft 16 an der Außenwand 7 anliegend strömt und dadurch auch eine Filmkühlung der Außenoberfläche der Außenwand 7 erreicht wird. Der Außenwand 7 ist eine In- nenwand 18 zugeordnet, wobei zwischen Außenwand 7 und Innenwand 18 eine Mehrzahl von Kühlbereichen 19 mit einer im wesentlichen flächigen Ausdehnung anordnet sind. Jeder Kühlbereich 19 ist über einen Einlaß 12 mit einer Zuführung 6 für Kuhlfluid 16 und über einen Auslaß mit dem die Turbinenschau- fei 1 umströmenden Heißgas 10 strömungstechnisch verbunden.According to FIG. 2, outlets 20 are provided on the inflow region 11, the outflow region 9, the pressure side 24 and the suction side 23 of the turbine blade 1, through which cooling air 6 flows into the flow of the hot gas 10. The outlets 20 in the area of the pressure side 24 and the suction side 23 are inclined at an angle, in particular less than 45 °, with respect to the outer wall 7, so that the cooling air 16 flows against the outer wall 7 and thereby also achieves film cooling of the outer surface of the outer wall 7 becomes. An inner wall 18 is assigned to the outer wall 7, a plurality of cooling areas 19 having an essentially planar extent being arranged between the outer wall 7 and the inner wall 18. Each cooling area 19 is connected in terms of flow technology via an inlet 12 to a supply 6 for cooling fluid 16 and via an outlet to the hot gas 10 flowing around the turbine blade 1.
Jeder Kühlbereich 19 weist eine Mehrzahl hintereinander angeordneter Wärmeübertragungselemente 17 auf, die zumindest mit der Außenwand 7 wärmetechnisch verbunden sind. Das durch den Kühlbereich 19 strömende Kuhlfluid 16 nimmt über die Wär e- Übertragungselemente 17 sowie über einen unmittelbaren Kontakt mit der Außenwand 7 Wärme von der Außenwand 7 auf und führt dadurch zu einer effektiven Kühlung der Außenwand 7. Der Einlaß 12 ist vorzugsweise senkrecht zur Außenwand 7 gerichtet, so daß in den Kühlbereich 19 einströmendes Kuhlfluid 16 auf die Außenwand 7 aufprallt und dadurch zusätzlich eine Prallkühlung erreicht wird.Each cooling area 19 has a plurality of heat transfer elements 17 arranged one behind the other, which are connected thermally at least to the outer wall 7. The cooling fluid 16 flowing through the cooling area 19 absorbs heat from the outer wall 7 via the heat transfer elements 17 and via direct contact with the outer wall 7 and thereby leads to effective cooling of the outer wall 7. The inlet 12 is preferably perpendicular to the outer wall 7 directed so that cooling fluid 16 flowing into the cooling area 19 impinges on the outer wall 7 and, as a result, impact cooling is additionally achieved.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Kühlbereich 19 mit einer Mehrzahl kreisrunder podest- oder säulenartiger Wärmeübertragunselemente 17, 17a, 17b. Die Wärmeübertragungselemente 17, 17a, 17b sind jeweils in einer Reihe 28 senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlfluides 16 angeordnet. Die Wärmeübertragungselemente 17, 17a, 17b unmittelbar hintereinander angeordneter Reihen 28 sind versetzt zueinander angeordnet, so daß Kuhlfluid, welches zwischen in einer Reihe benachbarter Wärmeübertragungselemente 17 hin- durchströmt, auf ein Wärmeübertragungselement 17 der nachfolgenden Reihe 28 aufprallt. Hierdurch wird eine besonders hohe Kontaktzeit des Kühlfluides mit den Wärmeübertragungselementen 17, 17a, 17b gewährleistet. Benachbarte Reihen 28 sind mit einem Abstand d2 voneinander beabstandet; innerhalb einer Reihe 28 sind die Wärmeübertragungselemente 17, 17a, 17b jeweils um einen Abstand d3 beabstandet; die im Querschnitt kreisförmigen Wärmeübertragungselemente 17 haben einen Durchmesser di. Der Abstand d2 zwischen zwei benachbarten Reihen 28 ist in etwa gleich oder etwas geringer als der Abstand d3 zwischen benachbarten Wärmeübertragungselementen 17.FIG. 3 shows a section of a longitudinal section through a cooling area 19 with a plurality of circular pedestal or columnar heat transfer elements 17, 17a, 17b. The heat transfer elements 17, 17a, 17b are each in a row 28 perpendicular to the direction of flow of the cooling fluid 16 arranged. The heat transfer elements 17, 17a, 17b of rows 28 which are arranged directly one behind the other are offset from one another, so that cooling fluid, which flows between heat transfer elements 17 which are adjacent in a row, impacts a heat transfer element 17 of the subsequent row 28. This ensures a particularly high contact time of the cooling fluid with the heat transfer elements 17, 17a, 17b. Adjacent rows 28 are spaced apart by a distance d 2 ; Within a row 28, the heat transfer elements 17, 17a, 17b are each spaced apart by a distance d 3 ; the heat transfer elements 17 which are circular in cross section have a diameter di. The distance d 2 between two adjacent rows 28 is approximately the same or slightly less than the distance d 3 between adjacent heat transfer elements 17.
Figur 4 zeigt eine Turbinenschaufel 1 in einem Querschnitt analog zu Figur 2. Gegenüber Figur 2 weist die Turbinenschaufel 1 einen zumindest teilweise geschlossenen Kühlkreislauf für das Kuhlfluid 16 auf. Hierzu ist neben einer Zuführung 6 auch eine Abführung 21 für Kuhlfluid 16 in der Turbinenschaufel 1 vorgesehen. Die Kühlbereiche 19 weisen mithin einen Auslaß 20 auf, der nicht zu dem Heißgas 10 sondern zu der Abführung 21 führt. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus der Tur- binenschaufel 1 wird auf die Beschreibung zur Figur 2 verwiesen.FIG. 4 shows a turbine blade 1 in a cross section analogous to FIG. 2. Compared to FIG. 2, the turbine blade 1 has an at least partially closed cooling circuit for the cooling fluid 16. For this purpose, in addition to a feed 6, a discharge 21 for cooling fluid 16 is also provided in the turbine blade 1. The cooling areas 19 therefore have an outlet 20 which does not lead to the hot gas 10 but to the discharge 21. With regard to the further construction of the turbine blade 1, reference is made to the description of FIG. 2.
In Figur 5 ist in einem Längsschnitt schematisch ein Ausschnitt einer Vorrichtung für eine thermisch kontrollierte Erstarrung einer metallischen Schmelze, insbesondere einerIn FIG. 5, a longitudinal section schematically shows a section of a device for a thermally controlled solidification of a metallic melt, in particular one
Kobaltbasis- oder Nickelbasis-Superlegierung dargestellt. Auf einer Abschreckplatte 25 ist eine nach unten geschlossene Gießform 14 für eine Turbinenschaufel 1 angeordnet. Diese Gießform 14 befindet sich in einer Heizzone 15, welche von einer Induktionsheizung 26 umgeben ist. Die Gießform 14 ist in vertikaler Richtung durch die Abschreckplatte 25 aus der Heizzone 15 mit einer kontrollierten Geschwindigkeit heraus- fahrbar. Die Gießform 14 wird vor Einbringung in die Heizzone 15 vorgeheizt und hat in der Heizzone 15 eine Temperatur, die vorzugsweise über der Schmelztemperatur der Legierung liegt. Die Heizzone 15 ist vorzugsweise in einem nicht dargestellten Vakuumofen angeordnet. Die geschmolzene Legierung wird in die Gießform 14 eingefüllt und dann mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aus der Heizzone herausbewegt bzw. die Induktionsheizung 26 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in vertikaler Richtung von der Gießform 14 wegbewegt. Vorzugsweise wird eine Temperaturdifferenz in vertikaler Richtung über die Gießform 14 von über 110 °C erzeugt. Mit dem Verfahren zur thermisch kontrollierten Erstarrung einer Legierung, insbesondere einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung, wird eine Turbinenschaufel mit einem feinkörnigen Gefüge ähn- lieh dem Gefüge eines konventionell gegossenen Gußstückes erreicht. Hierbei weist die Turbinenschaufel 1 sowohl in Bereichen mit dünner Wandstärke, mit dicker Wandstärke oder aus Vollmaterial im wesentlichen dieselbe Kornstruktur auf und ist nahezu poren- und lunkerfrei.Cobalt-based or nickel-based superalloy shown. A downwardly closed mold 14 for a turbine blade 1 is arranged on a quenching plate 25. This mold 14 is located in a heating zone 15, which is surrounded by an induction heater 26. The casting mold 14 is moved out of the heating zone 15 in a vertical direction through the quenching plate 25 at a controlled speed. mobile. The casting mold 14 is preheated before being introduced into the heating zone 15 and has a temperature in the heating zone 15 which is preferably above the melting temperature of the alloy. The heating zone 15 is preferably arranged in a vacuum furnace, not shown. The molten alloy is poured into the mold 14 and then moved out of the heating zone at a predetermined speed or the induction heater 26 is moved away from the mold 14 in the vertical direction at a predetermined speed. A temperature difference of more than 110 ° C. is preferably generated in the vertical direction via the casting mold 14. With the method for the thermally controlled solidification of an alloy, in particular a nickel-based or cobalt-based superalloy, a turbine blade with a fine-grained structure similar to the structure of a conventionally cast casting is achieved. Here, the turbine blade 1 has essentially the same grain structure both in areas with thin wall thickness, with thick wall thickness or made of solid material and is almost free of pores and voids.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenschaufel aus, welche in ihrem Inneren durch ein Kuhlfluid kühlbar ist, insbesondere aus einer Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierung besteht, welche ein Gefüge mit einer mittleren Kornstruktur aufweist, und die Kornstruktur im wesentlichen der Kornstruktur einer konventionell gegossenen Legierung entspricht, die lunker- und porenfrei ist. Die Turbinenschaufel läßt sich durch ein entsprechend modifiziertes Verfahren zur thermisch kontrollierten Erstarrung herstellen, wobei gegenüber einem einkristallinen Herstellungsverfahren einkristalltypische Fehler im Gefüge vermieden werden. The invention is characterized by a turbine blade, which can be cooled in its interior by a cooling fluid, in particular consists of a nickel or cobalt-based superalloy, which has a structure with an average grain structure, and the grain structure essentially the grain structure of a conventionally cast alloy corresponds to that is free of voids and pores. The turbine blade can be produced by a correspondingly modified process for thermally controlled solidification, whereby single-crystal defects in the structure are avoided compared to a single-crystal production process.

Claims

Patentansprüche claims
1. Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel (1), welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fuß- bereich (3) über einen Schaufelblattbereich (4) zu einem Kopfbereich (5) erstreckt, und zumindest m dem Schaufelblattbereich (4) eine Zufuhrung (6) für Kuhlfluid (16) aufweist, die von einer Schaufelaußenwand (7) geringer Wandstarke umgeben ist, wobei die Schaufelaußenwand (7) einen me- tallischen Werkstoff (8) mit einer ungerichteten Kornstruktur mit einer mittleren Korngroße in der Größenordnung der Korngroße eines konventionell gegossenen Werkstoffs aufweist.1. turbine blade (1), in particular gas turbine blade (1), which extends along a main axis (2) from a root area (3) via an airfoil area (4) to a head area (5), and at least in the airfoil area (4 ) has a feed (6) for cooling fluid (16), which is surrounded by a blade outer wall (7) of small wall thickness, the blade outer wall (7) being a metallic material (8) with an undirected grain structure with an average grain size of the order of magnitude the grain size of a conventionally cast material.
2. Turbmenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der Warmeuber- tragungselemente (17) vorgesehen sind, die warmetechnisch mit der Schaufelaußenwand (7) verbunden und von dem Kuhlfluid (16) umstrombar sind.2. Turbine blade (1) according to claim 1, in which heat transfer elements (17) are provided which are thermally connected to the blade outer wall (7) and can be flowed around by the cooling fluid (16).
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2, bei der die Warme- ubertragungselemente (17) in einer Hauptstromungsπchtung3. Turbine blade (1) according to claim 2, wherein the heat transfer elements (17) in a Hauptstromungsπchtung
(22) des Kuhlfluids (16) versetzt hintereinander angeordnet sind.(22) of the cooling fluid (16) are arranged offset one behind the other.
4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der eine die Zufuhrung (6) umgebende Innenwand (18) vorgesehen ist, wobei zwischen Innenwand (18) und Schaufelaußenwand (7) zumindest ein Kuhlbereich (19) gebildet ist, der über einen Einlaß (12) mit der Zufuhrung (6) stromungstechmsch verbunden ist.4. Turbine blade (1) according to claim 1, 2 or 3, in which an inner wall (18) surrounding the feed (6) is provided, at least one cooling region (19) being formed between the inner wall (18) and outer blade wall (7), which is connected via an inlet (12) to the feed (6) flow technology.
5. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 4, bei der eine Abfuhrung (21) für Kuhlfluid (6) vorgesehen ist, die über den Kuhlbereich (19) stromungstechnisch mit der Zufuhrung (6) verbunden ist. 5. turbine blade (1) according to claim 4, in which a discharge (21) for cooling fluid (6) is provided, which is connected via the cooling area (19) in terms of flow technology to the feed (6).
6. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Schaufelaußenwand (7) einen Auslaß (20) für Kuhlfluid (16) aufweist.6. Turbine blade (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the blade outer wall (7) has an outlet (20) for cooling fluid (16).
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Höhe (H) des Schaufelblattbereichs (4) zwischen 5 cm und 50 cm beträgt.7. Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, wherein the height (H) of the airfoil area (4) is between 5 cm and 50 cm.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei der der Werkstoff (8) eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis- Superlegierung ist.8. Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, in which the material (8) is a nickel-based or cobalt-based superalloy.
9. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wandstärke der Schaufelaußenwand (7) und/oder der Innenwand (18) einen minimalen Wert zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweisen bzw. aufweist.9. Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, in which the wall thickness of the blade outer wall (7) and / or the inner wall (18) have or has a minimum value between 0.5 mm and 5 mm.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Laufschaufel (la) oder eine Leitschaufel (lb) einer Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine, ist.10. Turbine blade (1) according to one of the preceding claims, which is a moving blade (la) or a guide blade (lb) of a gas turbine, in particular a stationary gas turbine.
11. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), die sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (3) über einen Schaufelblattbereich (4) zu einem Kopfbereich (5) erstreckt, und zumindest in dem Schaufelblattbereich (4) einen Zuführung (6) für Kuhlfluid (16) aufweist, die von einer Schaufelaußenwand (7) geringer Wandstärke umgeben ist, wobei eine Gießform (14) in einer Heizzone (15) oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs (8) der Turbinenschaufel (1) gehalten, die Gießform (14) mit geschmolzenem Werkstoff (8) gefüllt und die Gießform (14) so aus der Heizzone (15) herausbewegt wird, daß der Werkstoff (8) zumindest in der Schaufelaußenwand (7) eine ungerichtete Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße wie ein konventionell gegossener Werkstoff (8) aufweist. 11. Method for producing a turbine blade (1), which extends along a main axis (2) from a foot region (3) via an airfoil region (4) to a head region (5), and at least in the airfoil region (4) a feed ( 6) for cooling fluid (16), which is surrounded by a blade outer wall (7) of small wall thickness, a casting mold (14) being held in a heating zone (15) above the melting temperature of the material (8) of the turbine blade (1), the casting mold (14) filled with molten material (8) and the casting mold (14) is moved out of the heating zone (15) in such a way that the material (8), at least in the outer wall of the blade (7), has an undirected grain structure with an average grain size like a conventionally cast one Has material (8).
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